Ljusets mellersta infraröda våglängder är osynliga för ögat men kan vara användbara för ett antal tekniker, inklusive nattsyn, termisk avkänning, och miljöövervakning. Nu, ett nytt fenomen i en okonventionell metall, hittat av fysiker vid MIT och på andra håll, kan ge ett nytt sätt att göra mycket känsliga detektorer för dessa svårfångade våglängder. Fenomenet är nära besläktat med en partikel som har förutsagts av fysiker med hög energi men aldrig observerats.

Fysiker grupperar alla grundläggande partiklar i naturen i två kategorier, fermioner och bosoner, enligt en egenskap som kallas spin. Fermionerna, i tur och ordning, har tre typer:Dirac, Majorana, och Weyl. Dirac fermioner inkluderar elektronerna i vanliga metaller som koppar eller guld. De andra två är okonventionella partiklar som kan ge upphov till konstig och i grunden ny fysik, som potentiellt kan användas för att bygga effektivare kretsar och andra enheter.

Weyl fermion teoretiserades först för nästan ett sekel sedan av den tyska fysikern Hermann Weyl. Även om dess existens utgör en del av ekvationerna som utgör den allmänt accepterade standardmodellen för subatomär fysik, Weyl fermioner har faktiskt aldrig observerats experimentellt. Teorin förutsäger att de ska röra sig med ljusets hastighet, och, på samma gång, snurra om rörelseriktningen. De finns i två varianter beroende på om deras rotation runt rörelseriktningen är medurs eller moturs. Denna fastighet är känd som handness, eller kiralitet, av Weyl fermioner.

Även om Weyl fermioner aldrig har observerats direkt, forskare har nyligen observerat ett fenomen som efterliknar väsentliga aspekter av deras teoretiserade egenskaper, i en klass av okonventionella metaller som kallas Weyl -halvmetaller. En återstående utmaning var att experimentellt mäta kiraliteten hos dessa Weyl -fermioner, som undvek upptäckt från de flesta vanliga experimentella tekniker.

I en artikel publicerad i tidningen Naturfysik , ett MIT -team kunde mäta Weyl fermions kiralitet med hjälp av cirkulärt polariserat ljus. Detta arbete utfördes av MIT postdocs Qiong Ma och Su-Yang Xu; fysikprofessorer Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, och Patrick Lee; och åtta andra forskare vid MIT och andra universitet i USA, Kina, och Singapore.

Specifikt, forskarna fann att en metall som kallas tantalarsenid, eller TaA, "uppvisar en intressant optoelektronisk egenskap som kallas den cirkulära fotogalvaniska effekten, "säger Gedik, docent vid Institutionen för fysik. Konventionellt, elektrisk ledning kräver att en extern spänning appliceras över de två ändarna av en metall (t.ex. koppar). Däremot, forskarna fann i detta arbete att, genom att lysa cirkulärt polariserat ljus i mitten av infrarött våglängdsområde, TaA:erna kan producera en elektrisk ström utan att applicera externa spänningar. Dessutom, strömriktningen dikteras av Weyl fermions kiralitet och kan ändras genom att ändra ljuspolarisationen från vänsterhänt till högerhänt.

Mängden ström som genereras på detta sätt visar sig vara förvånansvärt stor - 10 till 100 gånger starkare än svaret från andra material som används för att detektera denna typ av ljus. Detta kan göra materialet användbart för extremt känsliga ljusdetektorer i denna mitt-infraröda del av spektrumet.

"Trots att det förutspåddes för länge sedan, Weyl fermioner har aldrig observerats som en grundläggande partikel i partikelfysik, "Förklarar Gedik. Men de nya experimenten, han säger, har visat att i dessa okonventionella metaller, vanliga elektroner "kan bete sig på ett konstigt sätt så att deras rörelse efterliknar Weyl fermions beteende, "och kan uppvisa en rad nya egenskaper.

Under åren sedan Weyls ursprungliga hypotes, "Många misstänkte att neutrinoer var Weyl fermioner, "Säger Xu. Neutrinoer är subatomära partiklar som springer genom universum med nästan ljusets hastighet och som länge trodde att de inte hade någon massa alls, precis som de poserade Weyl fermionerna. Men då, när det upptäcktes att neurinos faktiskt hade en liten men mätbar massa, den möjligheten uteslöts, och faktiska Weyl fermioner har fortfarande aldrig observerats. "Men hur beteendet hos elektroner i halvmetaller som TaA nära efterliknar det som förutsades för Weyl fermioner ger stöd åt Weyls ursprungliga teori, "Säger mamma.

Elektroner "kan bete sig som Weyl fermioner i dessa metaller, "Säger Ma." De kommer alltid i par som alltid har motsatt kiralitet. "

Medan andra hade observerat några av det ovanliga beteendet hos elektroner i dessa material, ingen hade tidigare kunnat undersöka den viktigaste aspekten av Weyl -fermionerna, nämligen deras vänster- eller högerhänta snurr. Men i denna forskning, "vi kom på ett sätt att mäta kiraliteten, "Xu säger, genom att använda cirkulärt polariserat ljus för att utlösa den elektriska strömmen, och visar att motsatta ljuspolarisationer fick strömmen att röra sig i motsatta riktningar. Genom att mäta strömmen med hjälp av elektroder fästa på materialet för olika ljuspolarisationer, de kunde härleda kiraliteten hos Weyl fermioner som är ansvariga för denna ström.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.